侯自力，侯永韜

（武漢軟件工程職業(yè)學院，湖北 武漢 430205）

十指套立體盲打鍵盤的設(shè)計與實現(xiàn)

侯自力，侯永韜

（武漢軟件工程職業(yè)學院，湖北 武漢 430205）

論文對“十指套立體盲打鍵盤”102觸點式鍵盤的外觀模型的構(gòu)成進行了研究與開發(fā)。給出了該鍵盤水平到垂直（0～90°）方向布局的十指套框架總體構(gòu)成模型圖，設(shè)計出“立體單指單向觸鍵框架”及“單指雙向觸鍵框架結(jié)構(gòu)”，給出水平、垂直十指套與對應觸發(fā)鍵的英文、阿拉伯數(shù)字等基本符號的平面“井式結(jié)構(gòu)”描述立體框架中字符布局，比較了該鍵盤與常用普通102鍵盤的優(yōu)劣，簡述了該鍵盤開發(fā)要注意的事項，探討了制造該鍵盤的途徑及所能達到的實際應用價值。

立體十指套；立體盲打；井式結(jié)構(gòu)；按鍵布局；3D-打印機技術(shù)

0 引言

為了快速準確輸入字符，減少移動手指的時間，擺脫操使用者反復看鍵盤看屏幕的動作，現(xiàn)擬開發(fā)一種全新的“十指套立體盲打鍵盤”，即在平板式102式鍵盤電路基本保持不變的情況下，對鍵盤按鍵的位置作適當立體變形，將字符信號觸發(fā)鍵固定在空的六面空方體周邊，手指可以插入這樣的空方體“十指套”中，參照原普通標準鍵盤同樣字符的行列信息排列，將觸發(fā)的信息轉(zhuǎn)換成位置碼輸入計算機中，利用“十指套”的三維空間立體完成盲打輸入字符的要求。這里擬開發(fā)“十指套立體盲打鍵盤”，其原理就是利用十個手指在十指套中原地上、下、左、右、頂五個方向的移動，立體式觸發(fā)按鍵信號，完成字符的輸入功能。

1 鍵盤指套設(shè)計

普通平板式鍵盤上有一條電纜引出線（無線發(fā)射器），用來同主機后面的DIN/USB插座（無線接收器）相接，這條電纜中有4條線：+5V電源線、地線和兩條雙向信號線，各種文擋、軟件程序相應符號輸入時采用十個手指輪流向下敲擊將觸發(fā)信號輸入給計算機CPU進行處理。擬開發(fā)的“盲打鍵盤”與普通鍵盤類似，也是通過十個手指的敲擊鍵盤觸發(fā)信號，將字符輸入計算機。區(qū)別在擬開發(fā)的鍵盤與普通平板式鍵盤電路原理基本保持不變，而外型結(jié)構(gòu)上進行三維空間立體布局，根據(jù)各個觸發(fā)鍵的位置對電子線路作適當調(diào)整布局連接。其原理就是利用十個手指在十指套中原地上、下、左、右、頂五個方向的移動，立體式觸發(fā)按鍵信號，完成字符的輸入功能。

1.1水平、垂直指套外觀與手指運動方向關(guān)系

“十指套立體盲打鍵盤”采用十個手指立體式向五個方向敲擊鍵盤得到信號源，考慮到單個手指運動方向最多有5個，而且以水平到垂直（0～90°）方向運動最為方便，所以設(shè)計時，手指與鍵盤觸摸在理論上可有下面兩種形式，圖1給出了單個手指在三維十指套水平方向運動的立體模型圖，圖2給出了單個手指在三維十指套垂直方向運動的立體模型圖。

圖1　水平十指套與手指運動方向關(guān)系圖

圖2　垂直十指套與手指運動方向關(guān)系圖

1.2單指單向觸鍵框架及單指雙向觸鍵框架及觸發(fā)鍵布局

以單個手指運動方向最多的上、下、左、右、頂5個不同方向運動來觸發(fā)信號，在這5個方向上設(shè)計手指框架，相應布置觸發(fā)鍵，見圖3盲打鍵盤的“單指單向觸鍵框架“及字符觸發(fā)鍵布局示例圖。

圖3　單指單向觸鍵框架及字符鍵布局示例圖

圖4　單指雙向觸鍵框架示例圖

人的十個手指長短不一，靈活程度也不同，采用十個指頭分別放在“單指單向觸鍵框架”中，若敲擊10個這樣的單指框架里的5個觸發(fā)鍵，最多有50個觸發(fā)源，要完成計算機內(nèi)部所有ASC11碼的對應常見的字符查找遠不能滿足要求，因此在“單指單向觸鍵框架”的基礎(chǔ)上改變其的結(jié)構(gòu)，讓只能容納一個指頭的活動空間增加寬度擴展到原來的兩倍，在原“單指單向觸鍵框架”水平方向的上、下、前三個位置分別多放置兩個觸發(fā)鍵，見圖4盲打鍵盤的“單指雙向觸鍵框架”示例圖。人左右手的食指和大拇指的靈活度最好，空間活動范圍最大，完全可以適應“單指雙向觸鍵框架”結(jié)構(gòu)對字符的觸發(fā)要求。經(jīng)過反復試驗證明食指和大拇指在水平方向上下左右擺動敲擊兩個觸發(fā)鍵是恰到好處的。而水平方向若布置3個以上的觸發(fā)鍵，食指和大拇指敲擊非常困難。

1 .3鍵盤觸發(fā)鍵及電路選擇

鍵盤按鍵結(jié)構(gòu)分為機械式和電容式觸點式按鍵兩大類，該鍵盤最初模型采用的是機械式鍵盤，擊鍵響聲大，用力也較大，手指易疲勞，鍵盤磨損較快，故障率較高。改進后采用電容式觸點式按鍵，在輸入中不存在磨損、接觸不良等問題，耐久性、靈敏度和穩(wěn)定性都比較好。該鍵盤模型開發(fā)時鍵盤觸發(fā)鍵及電路選擇可以有以下幾種：①簧片式：最初模型接觸點線路采用錫焊接線，改進后接觸點采用膠片銀漿線路；②空氣開關(guān)式：接觸點線路采用膠片膠片銀漿線路；③朔膠開關(guān)式：接觸點線路采用膠片銀漿線路。

1.4鍵盤總體結(jié)構(gòu)

從上節(jié)論述可以看到十個指頭在“單指單向觸鍵框架”的結(jié)構(gòu)中，可以觸發(fā)的鍵總共5×10=50個觸點，這遠達不到普通鍵盤102個觸發(fā)鍵的容量，如果讓左右手的食指和大拇指選擇單指雙向觸鍵框架，可以觸發(fā)的鍵總共可達（5×6+8×4）=62個觸點，離普通102觸點的鍵盤還有差距。為了達到102個觸發(fā)點，經(jīng)過多次試驗采用水平和垂直兩排放置，讓十指上下運動，結(jié)合“立體單指單向觸鍵框架”和“單指雙向觸鍵框架”最多空間布置的可能性，第一排采用十個水平放置的手指套，其中6個單指框架4個單指雙框架總共62個觸點。第二排若采用垂直放置“單指雙向觸鍵框架”經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)手指靈活度受到限制，因為食指不能像水平那樣橫向擺動敲擊兩個觸發(fā)鍵，而且大拇指是不能有垂直這種情況出現(xiàn)的，所以采用八個垂直放置“單指單向觸鍵框架”手指套，觸發(fā)的鍵總共（5×8）=40個觸點，兩排總共102個觸發(fā)點。而經(jīng)過多次模型的制作試驗比對，對單指單向觸鍵框架、單指雙向觸鍵框架在水平到垂直（0～90°）方向平面進行合理的旋轉(zhuǎn)角度來構(gòu)建“十指套立體盲打鍵盤”，便于靈活操作十個手指上、下、左、右、頂方向的輸入字符，得到102個觸點的布局鍵盤，從而達到基本的鍵盤所應該容納的字符數(shù)和控制鍵個數(shù)。

下面的“十指套立體盲打鍵盤”立體構(gòu)成模型圖清楚地表現(xiàn)了該鍵盤的總體結(jié)構(gòu)，見圖5，圖中第一排十個水平放置的手指套，由左右手小指、無名指、中指6個單指框架及左右手食指、大拇指4個單指雙框架組成（1水平組合指套鍵）。第二排由八個垂直放置單指框架手指套組成（2垂直組合指套鍵）?？傮w結(jié)構(gòu)中可見每個指套上的觸發(fā)鍵（3觸發(fā)鍵）、水平手指插入示意圖（4手指）、左右手腕觸發(fā)鍵（5、6手腕觸發(fā)鍵）、鍵盤固定框架（7框架）。

圖5　十指套立體水平、垂直設(shè)置的左右手指套立體構(gòu)成模型圖

2 鍵盤各手指的字符“井式結(jié)構(gòu)”平面布局設(shè)計

為了更好的描述“盲打鍵盤”十個指頭運動方向及對應的英文字母、阿拉伯數(shù)字等基本符號的分布，需要找出能夠表達每個指套上對應的字符的描述方法，最初設(shè)計的描述方式見圖6，雖然手指運動方向和觸發(fā)鍵的位置看的很清楚，但在后期“十指套立體盲打鍵盤”指法練習軟件開發(fā)上遇到問題。經(jīng)過各種表達方式的圖形比對，最終找到一種“井式結(jié)構(gòu)”的一種圖形，可以很好的安排單指框架、單指雙框架手指觸發(fā)鍵中的各字符，從圖6中并可以一目了然的看出手指的運動方向。

圖6　最初單指框架手指運動平面布局

2.1單指框架、單指雙框架手指運動方向平面布局

“井式結(jié)構(gòu)”圖形從手指的上、下、左、右、頂5個運動方向上設(shè)計出直觀明了具有對應的5個運動方向感的平面布局。圖7描述了單指框架手指觸發(fā)鍵運動方向總體平面布局說明圖，圖8描述了單指雙框架手指觸發(fā)鍵運動方向總體平面布局說明圖。

圖7　單指框架手指運動平面布局

圖8　單指雙框架手指運動平面布局

2.2鍵盤基本字符與各手指的平面布局

以十指套立體水平、垂直設(shè)置的左右手指套立體構(gòu)成模型圖中選擇所有鍵盤指套，按“井式結(jié)構(gòu)”圖形進行布局。

（1）選擇“十指套立體盲打鍵盤”第一排十個水平手指套進行字符布局設(shè)計。下面是62觸點對應的英文字母、阿拉伯數(shù)字等基本符號與各手指的對應單指框架、單指雙框架平面布局，見示例圖9～圖18。

圖9　左小指布局

圖10　左無名指布局

圖11　左中指布局

圖12　左食指布局

圖13　左拇指布局

圖14　右拇指布局

圖15　右食指布局

圖16　右中指布局

圖17　右無名指布局

圖18　右小指布局

（2）選擇“十指套立體盲打鍵盤”第二排八個垂直手指套進行字符布局。下面為40個觸點對應的光標控制鍵和數(shù)字鍵等基本符號各手指的平面布局示例圖，見示例圖19～圖26。

圖19　左小指布局

圖20　左無名指布局

圖21　左中指布局

圖22　左食指布局

圖23　右食指布局

圖24　右中指布局

圖25　右無名指布局

圖26　右小指布局

（3）采用十指套立體盲打鍵盤輸入方法的優(yōu)勢及應用價值?！笆柑琢Ⅲw盲打鍵盤”帶來了全新型手指立體式盲打輸入字符方法，應用價值主要體現(xiàn)在盲打環(huán)境，手指固定，移動距離少，其許多獨特的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①采用立體盲打改變了傳統(tǒng)普通鍵盤手指輸入方式，原地一指多擊，減少手指移動的盲目性，迎合了使用者的好奇；②完全實現(xiàn)盲打輸入，使用者不需看鍵盤，直接在十指套里盲打輸入字符，對夜間寫作的人和弱視的盲人使用者更為便利；③只需反復制造多個同種單指框架或單指雙框架，完成整個鍵盤組合；④濃縮了原102鍵盤占用的空間，左右手指套可以分開也可一體水平或垂直放置；⑤減少原普通鍵盤移動手指的時間，大大地提高了字符輸入速度；⑥繼承了普通平板式鍵盤指法與字符之間布局相對位置不變，對已掌握102平板式鍵盤的使用者學習十指套立體盲打鍵盤非常便捷；⑦該鍵盤的盲打作用，將是吸引新生代年青人、視力弱者以及喜歡冥想的作家為推動者。

3 十指套立體盲打鍵盤應注意解決的幾個問題

“十指套立體盲打鍵盤”立體式觸發(fā)按鍵信號，除具有許多獨特的優(yōu)勢外，也帶了許多新的問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①針對不同使用者手型大小不一問題，解決辦法在十字套鍵盤的基座上設(shè)計一種“移動槽”，可以在不同方位進行調(diào)整；②制造出大、中、小不等型號的十指套，根據(jù)使用者手型選擇型號，或更換插入底盤上的移動槽中；③針對手指敲打時間長發(fā)熱問題，解決辦法在設(shè)計十指套時，“頂”方向盡可能短，以便手指頭伸出，放松休息；④針對十指套鍵盤內(nèi)污垢清洗問題，要求保持手指清潔，更換手指套；⑤就目前中國的制造情況生產(chǎn)該鍵盤采用傳統(tǒng)鑄模、塑壓、膠片銀漿布線等制作方法會比原102普通鍵盤成本高，可以采用先進的3D打印機印刷技術(shù)制造五面空方體，使十指套制作成本大大降低。

4 結(jié)束語

能否實現(xiàn)“十指套立體盲打鍵盤”的成品開發(fā)，最后推廣應用在實際中，理論和技術(shù)上都可以采實現(xiàn)，關(guān)鍵是該鍵盤的用戶群體及本身的使用效率，可以預見新生代年青人、視力弱者以及喜歡冥想的作家都將是該種鍵盤的有力推動者，完善鍵盤的制作工藝，使其更加舒適地操作，再配合開發(fā)相應的鍵盤指法練習軟件，經(jīng)過培訓，就可以讓各類使用者輕松、愉快、主動、有效地掌握“十指套立體盲打鍵盤”的使用（該鍵盤申請專利號：201310044391.2）。

［1］劉洪海，曾世平．計算機應用基礎(chǔ)［M］．北京：中國鐵道出版社，2006.

［2］黃心潤，等．3dsMax2011標準教程［M］．北京：清華大學出版社，2011．

［3］張超，等．盲人手指鍵盤：中國，201210111260.7［P］．2012-04-16.

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［7］李映潔．鍵盤操作手套：中國，200820100247.0［P］．2008-10-14.

［8］王震亞．指套式鍵盤輸入裝置：中國，200610045255.5［P］．2006-06-30.

Design and Realisation of Ten Fingers Gloves 3D-keyboard for Blind Strucking

HOU Zi-Li，HOU Yong-Tao
（Wuhan Vocational College of Software and Engineering，WuHan Hubei 430205，China）

This paper carried on development research for the composition of appearance model to calling 102 touch point of"Ten Fingers Gloves 3D-Keyboard for Blind Strucking"，developes total constitute model diagram about Ten Fingers Gloves in the level and perpendicular direction（0～90°），designs the single Fingers Gloves frame structure and the single Fingers Gloves double frame structure，gives a "#type structure"diagram layout about the basic sign of English，Arabic numerals...etc.to adapt the Ten Fingers Gloves in the level and perpendicular directiong，comparisons the advantage and weakness about this kind keyboard and old common 102'skeyboard，all said the attention of item of this keyboard，explores this keyboard's manufacturing ways and it is going get practical applications value.

3D ten-fingers gloves；stereoscopic blind strucking；cross fork structure；key layout；3D-printing techniquet

TP317

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-079-04

2015-03-06

項目來源：湖北省教育科學“十二五”規(guī)劃2013重點研究課題，《多維指套鍵盤》實用新型專利號：ZL201320065364.9

侯自力（1962-），男，工學碩士，高級工程師。主要研究領(lǐng)域：圖形圖像處理；侯永韜（1992-），男，本科在讀。主要研究領(lǐng)域：實體經(jīng)濟。